JP4793636B2 - 水浸用アレイプローブ装置 - Google Patents

Description

本発明は、アレイプローブを用い、水浸法にて超音波探傷を実施する水浸用アレイプローブ装置に関する。

物体内の割れ等を超音波で検出する場合に、超音波プローブを直接、被検査体の表面上に接触させ検査する直接接触探傷法と、被検査体を水中に設置し、ある距離を離して、探傷する水浸探傷法がある。これらの手法は非特許文献１等に詳しく述べられている。一方、被検査体内の割れの方向、傾きが一定でない場合、超音波ビームを割れに対し直交した方向から送受信しないと検出が困難となる。

その為、超音波プローブを被検査体表面に対し斜めに傾け、超音波ビームを斜めに入射等の条件下でさせる斜角探傷法を実施する必要が生じる。直接接触法ではアクリル等のシューを使用し、水浸法では超音波プローブを傾けて、超音波ビームを斜めに入射させる方法が取られている。この場合、被検査体の表面ではね返った超音波は、直接接触法の場合では、シュー内の超音波がはね返った場所にアクリルクサビを設置する等の工夫により超音波を減衰させ、超音波の更なる反射により超音波プローブにノイズとして検出されない様な構造となっている。一方、水浸法では、一般的に使用されているものは１個の振動子よりなるシンプルプローグのため、ビームの向きも一定であり、手間を掛ければ表面ではね返った超音波に影響されない様角度・高さ等を考慮に入れて設定する事ができる。すなわち、被検査体の表面ではね返った超音波は、シングルプローブでは、検出できない方向へ進行していき、ノイズとして検出されない形となっている。

上記に示したのは、固定角探触子を使用した場合であり、検出できる割れ等の角度は限定されてしまう。これに対し、色々な方向の割れを検出する為に、フェーズドアレイ技術を用いた、新たな手法が開発されて来た。

水浸用アレイプローブ装置を用いた全方位の割れを検出するシステムは、非特許文献２等にその内容が記載されている。このシステムでは、被検査体の表面からの超音波の多重反射防止と、超音波ビーム角度偏向時の検出強度確保の為、水浸用アレイプローブを２０度傾けてある。この角度は被検査体と水の音速の関係により決まってくる為、それぞれの探傷システムで最適値は異なってくる。

水浸用アレイプローブ装置で超音波ビームの角度を大きく変化させると、探傷角度により、被検査体表面にてはね返った超音波が、水浸用アレイプローブの端部にぶつかり、多重反射の後に戻ってきて、ノイズとして検出する場合がある。水浸用アレイプローブの端部に反射防止部材を設置する等の対策がとられているが、完全にはとりきれない。

アレイプロ-ブに関するノイズ等の低減策として、特許文献１等があるが、探傷データの周波数等の重みづけ等に関するもので、水浸用アレイプローブの端部の反射するノイズエコーについて考慮されていない。

超音波探傷法 特開２００１−３４３３７０ 超音波探傷試験III（日本非破壊検査協会1987年発行）P95,96等 黒鉛素材の全方向探傷用電子走査式アレイ型超音波探傷システムの開発（(社)日本非破壊検査協会 非破壊検査第53巻7号抜粋）

本発明の目的は、超音波ビームを角度偏向する水浸用アレイプローブを使用した探傷において、どの探傷角度でも水浸用アレイプローブの端部がノイズエコーの原因とならない、あるいは小さくすることのできる水浸用アレイプローブ装置を提供することにある。

ノイズエコーが検出されるのは、水浸用アレイプローブの端部において、反射が一様でなく、色々な方向に超音波が散乱されることが一要因となっていることに着目して、本発明は、色々な探傷角度においても、水浸用アレイプローブの端部を直接超音波があたる部位としない様にするために、一様な反射面で超音波をうければ、検出側と反対方向に超音波は反射していくことを実現するため、一定の長さ領域において一様な反射面を実現するダミーエレメントで延長した水浸用アレイプローブを備えたことを特徴とする。

本発明は、具体的には送受信エレメント群からなるアレイ素子と超音波を送受信しないダミーエレメント群からなるアレイ素子とから構成される平板状の水浸用アレイプローブと、前記水浸用アレイプローブを水中で支持するケースとを有し、前記平板状の水浸用アレイプローブは検査面に対して予め定められた角度α（試験体検査面の法線と水浸用アレイプローブの垂線とのなす角度）および送受信エレメント群の中心に位置する送受信エレメントが検査面に対してなす一定の高さＨで、および送受信エレメント群からの超音波が角度αに対する予め定められた最大偏向角度Ｒでもって照射されるようにした水浸用アレイプローブ装置において、
送受信エレメント群からの超音波が最大偏向角度Ｒの範囲でもって検査面に照射されたときに、前記高さHおよび最大偏向角度Ｒで定まる検査面から反射した超音波が前記ダミーエレメント群の最外端の範囲内に設定されていること
、を特徴とする水浸用アレイプローブ装置を提供する。

また、本発明は、上述の水浸用アレイプローブ装置において、反射した超音波が前記ダミーエレメント群の必要最遠位置と交わる点と必要最近位置と交わる点との長さをLとしたときに、該長さLは前記送信エレメント群からなるアレイ素子の長さｌよりも長くなるように前記高さおよび最大偏向角度Ｒが設定されていることを特徴とする水浸用アレイプローブ装置を提供する。

また、本発明は、上述の水浸用アレイプローブ装置において、超音波を送受信する前記送受信エレメント群からなるアレイ素子と超音波を送受信しない前記ダミーエレメント群からなるアレイ素子とは、境界領域を置くことなく一体に構成されることを特徴とする水浸用アレイプローブ装置を提供する。

本発明によれば、水浸用アレイプローブを用いた水浸探傷において、色々な探傷角度においても、水浸用アレイプローブの端部ではね返える超音波を低減し、ノイズとして検出しない水浸用アレイプローブ装置を提供することができる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

図１において、本発明の実施例である水浸用アレイプローブ装置１０は、超音波を送受信する送受信エレメント群からなるアレイ素子４０と超音波を送受信しないダミーエレメント群からなるアレイ素子５０とから構成される平板状の水浸用アレイプローブ３０と、水浸用アレイプローブ３０を水中で支持するケース２０とを有して構成される。

そして、この水浸用アレイプローブ装置１０は、平板状の水浸用アレイプローブ３０が検査面６０に対して予め定めた角度（試験体検査面６０の法線と水浸用アレイプローブ３０の垂線とのなす角度）および送受信エレメント群の中心に位置する送受信エレメント群が検査面６０に対してなす一定の高さで、および送受信エレメント群からの超音波が角度に対する予め定められた最大偏向角度でもって照射されるようにして構成される。

アレイ素子の送受信エレメント群から照射された超音波ビーム１００は、被検査体の検査面６０の表面で屈折し、探傷用ビーム１０１として、被検査体内に投入される。一方、表面Ｗで反射したビーム１０２は水浸用アレイプローブ３０のアレイ素子５０のダミーエレメント群にぶつかり、超音波が外側に逃げて行き、反射エコーは無くなっていく。

本実施例の水浸用アレイプローブ装置１０は、送受信エレメント群からの超音波が細大偏向角度Ｒの範囲でもって検査面に照射されたときに、前記高さＨおよび細大偏向角度Ｒで定まる検査面から反射した超音波が前記ダミーエレメント群の最外端の範囲内に設定されていることによって反射する超音波が送受信エレメント群に戻らない構成としている。

以下、図２を使用して詳述する。
図２（ａ）は全域の送受信エレメント群を使用した場合の例を示し、図２（ｂ）は一部の送受信エレメント群を使用した場合の例を示す。

図２（ｂ）において、水浸用アレイプローブ装置１０は、超音波を送受信する送受信エレメント群からなるアレイ素子４０と超音波を送受信しないダミーエレメント群からなるアレイ素子５０とから構成される平板状の水浸用アレイプローブ３０と、水浸用アレイプローブ３０を水中で支持するケース２０とを有して構成される。

そして、この水浸用アレイプローブ装置１０は、平板状の水浸用アレイプローブ３０が検査面６０に対して予め定められた角度α（水浸用アレイプローブ３０の検査面６０に対する法線Ｐが水浸用アレイプローブ３０についての垂直線Ｑとのなす角度）および送受信エレメント群が検査面６０に対してなす一定の高さＨで、および送受信エレメント群からの超音波が角度αに対する予め定められた最大偏向角度Ｒでもって照射されるようにして構成される。ここでいう最大とは、効果的に行う実際上の最大と理解するべきである。

アレイ素子４０の送受信エレメント群から照射された超音波ビーム１００は、検査面６０で検査面６０に対する法線Ｓに対してβの角度で照射され、βの角度で反射する。被検査体内に投入される探傷用ビーム１０１は、一般的には被検査体の音速が水の音速より早い為、屈折角β´はβよりも大きくなる。

一方、表面Ｗで反射した超音波ビーム１０２は水浸用アレイプローブ３０のアレイ素子５０のダミーエレメント群にぶつかって更に反射する。この場合に、高さＨが予め定められ、角度αが定まると反射角度βは定まり、これに伴ってダミーエレメント群にぶつかる。すなわち、交わる点Ａ点が一義的に定まる。

このＡ点がダミーエレメント群の範囲内にないと、反射した超音波ビーム１０２はケース２０の角などにぶつかって乱反射し、ノイズエコ−となるおそれがある。このために、このＡ点はダミーエレメント群の範囲内になるように計算設計し、Ａ点を定め、Ａ点を超えて外方にダミーエレメント群が延在するように設定することを行う。このようにＡ点を定め、仮にＡ点がダミーエレメント群の最終端部より内側に設定されたとするとＡ点に到達した超音波ビーム１０２はダミーエレメント群の法線Ｐ´に対してγの反射角で外方に線１０３で示すように反射し、Ｗ点側に戻ることがない。

アレイ素子４０の一端をＣとし、アレイ素子５０との境界をＢとして、Ｃ−Ｂの長さをｌ、Ｂ−Ａの長さをＬとした場合に、好ましい例としては長さＬは送信エレメント群からなるアレイ素子の長さｌよりも長くなるように前述した高さＨおよび最大偏向角度Ｒの設定を行うことでもある。

反射した超音波ビーム１０２がダミーエレメント群の必要最遠位置と交わる点Ａと必要最近位置と交わる点Ｂとの長さＬは長さｌよりも長くするのが好ましい。ダミーエレメント群の必要最遠位置を超えて、すなわち延在させることができる。

反射する超音波１０３の反射状況を見て、点Ａが最大偏向角度Ｒの範囲内に設定されているかが判断される。超音波を送受信する送受信エレメント群からなるアレイ素子４０と超音波を送受信しない前記ダミーエレメント群からなるアレイ素子５０とは、境界領域を置くことなく一体に構成することが望ましい。

図２（ａ）の例では、アレイ素子４０の送受信エレメント群を全部使用して計測する場合について説明した。この場合にはアレイ素子４０の中央位置に位置する受信エレメントが中央点Ｏで設定される。

アレイ素子４０の送受信エレメント群を全部使用しなくても部分的に使用しても計測することが可能である。例えば、右側半分のアレイ素子４０を使用することである。図２（ａ）は一部のエレメント群を使用する場合であり、この場合中央点はＯ´となるが高さＨはそのままの条件で計算に使用することができることは明らかである。

図３にダミーエレメント群５０１を付設した水浸用アレイプローブ３０の構造例を示す。図３（ａ）は縦断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）をＸ方向（水浸用アレイプローブ３０の探傷面側）から見た図である。

図４（ｂ）において、送受信エレメント群のアレイ素子４０の送受信エレメント群４０１と超音波を送受信しないダミーエレメント群のアレイ素子５０のダミーエレメント群５０１は境界領域のない一様な反射特性を有する構造を作っている。

以上述べたように、必要とするあらゆる角度の超音波ビームが被検査体表面で反射し、水浸用アレイプローブ３０の表面延長線と交わる領域まで、水浸用アレイプローブ３０を延長する事により、端部エコーを防止する事が可能となる。延長部分を設ける事により、端部エコーを発生させずに、超音波を水浸用アレイプローブ３０の延長部分で、一様に、検出側から遠ざかる方向に反射させることにより、ノイズ防止が図れるため、雑音レベルの低い水浸用アレイプローブ装置を提供できる。

図４−図６はデジタル電子スキャン方式を示す図である。

図４において、６１は超音波遅延回路を示し、６２は超音波送信パルスを示す。この超音波振動子素子群によって超音波を送受信する送受信エレメント４０１が構成される。図４に示すように、超音波遅延回路６１を使用して超音波送信パルス６２の遅延時間を電子制御し、超音波ビーム１０２の焦点深さ制御や角度制御を行う。この制御の仕方を予め設定することによって最大偏向角度Ｒが定められ、この最大偏向角度Ｒ内での偏向角度が決定され、使用される。

図４（ａ）は焦点深さ制御をしている状態を示す図であり、板厚方向探傷で、超音波ビーム１０２の焦点深さ位置を可変とすることができる。図４（ｂ）は偏向角度制御をしている状態を示す図であり、斜角探傷で、探傷角度を可変とすることができる。

図５は受信回路およびリアルタイム表示構成を示す図である。
図５において、リアルタイム表示装置２００は、電子スキャンユニット２０１およびデータ収録処理ユニット２０２から構成される。

電子スキャンユニット２０１は、遅延回路（超音波遅延回路）６１、Ａ／Ｄ６２に接続された増幅器６４および加算回路６５から構成され、データ収録処理ユニット２０２は、加算回路６５に接続された波形収録回路６６およびＣＰＵ６７から構成されるこれらの構成によって全波形データ収録、再生表示、カラー高精細表示機能により、検査性を向上させることができる。得られたデータをリアルタイムで表示することができる。

図６は送信回路を示す図である。
図６において、６１は遅延回路（超音波遅延回路）であり、７１はスイッチ回路、７２はスクエアパルス発生回路である。遅延回路６１で図４に示すように遅延された信号はスイッチ回路７１に伝えられ、これによってスクエアパルス発生回路７２によってスクエアパルスが発生され、１００Ｖ〜３００Ｖの信号として超音波振動子素子群６３に伝えられる。

このように、高出パルス信号を発生させるために、超音波振動子素子ごとに図６に示す回路を装着している。これによって遠距離、高減衰材などに対しても電子スキャン方式探傷が可能になる。

本実施例によれば、グラファイト、複合材料、樹脂などの新素材の探傷、車軸、レール、ノズル部などの金属材料の探傷、配管、圧力容器、フランジなどの溶接部の探傷あるいは鉄のアルミ、金属・樹脂などの異種材料複合部の探傷を安全、高精度に行い、超音波検査結果をリアルタイムに表示することができ、高精度な波形再生を可能とする。

図７は、本実施例のダミーエレメント５０１を設置しない対策前（図７（ａ））とダミーエレメント５０１を設置しない対策前（図７（ａ））とダミーエレメント５０１を設置した対策後（図７（ｂ））の探傷結果を示す表示側である。

図８は、図７の表示例を判り易くするために模式的に示す図である。

これらの図によれば、対策前にあっては水浸用アレイプローブ３０の先端部Ｃによって乱反射された超音波による先端擬似エコーが大きく観測され、Ｃ点ノイズおよび欠陥画像が表示されているが、対策後にあっては先端擬似エコーが小さく観測され、欠陥画像のみが表示されることが判る。このように、対策後には端部からのノイズエコーが低減されていることが判る。

本発明の実施例の概略構成を示す図。 本発明の実施例の詳細構成を示す図。 図２に示す構成の一部詳細図。 デジタル電子スキャン方式を示す図。 リアルタイム表示手段を示す図。 探傷回路の構成を示す図。 本実施例の対策を行った場合と対策を行う前の探傷結果を対比して示す表示例図。 図７の模式図。

符号の説明

１０…水浸用アレイプローブ装置、２０…ケース、３０…水浸用アレイプローブ、４０…送受信エレメント群からなるアレイ素子、５０…超音波を送受信しないダミーエレメント群からなるアレイ素子、６０…検査面、６１…遅延回路（超音波遅延回路）、６２…超音波送信パルス、１００…超音波ビーム、１０２…反射した超音波ビーム、４０１…送受信エレメント、５０１…ダミーエレメント、α…水浸用アレイプローブ３０の検査面６０に対する法線Ｐが水浸用アレイプローブ３０についての垂直線Ｑとのなす角度）、Ｒ…最大偏向角度、Ｈ…高さ、Ｌ…ダミーエレメント群の設置長さ、ｌ…送受信エレメント群の設置長さ、Ｏ…送受信エレメント群の中央、Ｏ´…右半分の送受信エレメント群の中央。

Claims (3)

1. 超音波を送受信する送受信エレメント群からなるアレイ素子と超音波を送受信しないダミーエレメント群からなるアレイ素子とから構成される平板状の水浸用アレイプローブと、前記水浸用アレイプローブを水中で支持するケースとを有し、前記平板状の水浸用アレイプローブは検査面に対して予め定められた角度α（前記水浸用アレイプローブの検査面に対する法線と前記水浸用アレイプローブについての垂直線とのなす角度）および送受信エレメント群の中心に位置する送受信エレメントが検査面に対してなす一定の高さＨで、および送受信エレメント群からの超音波が角度αに対する予め定められた最大偏向角度Ｒでもって照射されるようにした水浸用アレイプローブ装置において、
   送受信エレメント群からの超音波が最大偏向角度Ｒの範囲でもって検査面に照射されたときに、前記高さHおよび最大偏向角度Ｒで定まる検査面から反射した超音波が前記ダミーエレメント群の最外端の範囲内に設定されていること
   を特徴とする水浸用アレイプローブ装置。
2. 請求項１において、反射した超音波が前記ダミーエレメント群の必要最遠位置と交わる点と必要最近位置と交わる点との長さをLとしたときに、該長さLは前記送信エレメント群からなるアレイ素子の長さｌよりも長くなるように前記高さおよび最大偏向角度Rが設定されていることを特徴とする水浸用アレイプローブ装置。
3. 請求項１または２において、超音波を送受信する前記送受信エレメント群からなるアレイ素子と超音波を送受信しない前記ダミーエレメント群からなるアレイ素子とは、境界領域を置くことなく一体に構成されることを特徴とする水浸用アレイプローブ装置。

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